城市轨道交通车辆制动系统维护与检修教学课件李益民单元一制动基础知识

在线教务辅导网 教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网 QQ 349134187或者直接输入下面地址 城市轨道交通 车辆制动系统维护与检修 制动基础知识 单 元 1 课题1制动系统在城市轨道交通车辆运行中的重要意义 课题2制动方式的分类和制动机的分类 课题3城市轨道交通车辆制动系统的发展概况 课题4空气制动系统和电气指令式制动控制系统的基本作用原理 单元1制动基础知识 课题1 制动系统在城市轨道交通车辆运行中的重要意义 3 熟知制动载荷的分析方法 知识要点 2 熟知轮轨关系 制动力的形成和影响黏着系数的因素 4 熟知空气制动机的空气波 制动波及列车制动时的纵向动力作用 1 熟知列车制动系统 制动作用种类 制动能力及制动在城市轨道交通运行中的重要意义 5 熟知制动机的稳定性 安定性和灵敏度 课题任务 1 分析列车制动系统 制动能力以及制动的重要意义 会理解各种制动作用的区别 2 分析制动力形成原理 掌握黏着的含义 影响因素及改善方法 3 对制动有关载荷会进行分析和计算 5 对制动机的稳定性 安定性和灵敏度进行分析比较 4 通过分析空气制动机的空气波和制动波 掌握列车制动时的纵向动力作用 相关理论知识 一 概论 1 列车制动系统 2 制动作用的种类常用制动 紧急制动 快速制动和停放制动和保持制动 4 制动系统的重要意义 1 保证行车安全 2 充分发挥牵引力 增大列车牵引重量 提高列车运行速度 3 提高列车的区间通过能力 3 制动能力列车的制动能力是指该列车的制动系统能使其在规定的安全范围内或规定的安全制动距离内可靠地把车停下来的能力 相关理论知识 二 制动的基础理论 一 轮轨关系和制动力1 黏着图1 1所示为某个动车以速度v在平直线路上运行时 它的一个动车轮对的受力情况 我们暂时忽略它内部的各种摩擦阻力 为了更清楚地表示该图中的各种关系 我们实际上互相接触的车轮与钢轨稍稍分开画出 图1 1在平直线路上运行的轮对与钢轨受力分析 在图1 1中 Pi为一个动轮对作用在钢轨上的正压力 又称为轮对的轴重 牵引电机作用在动轮对上的驱动转矩Mi 可以用一对力形成的力偶代替 力F 和F 分别作用在轮轴中心的O点和轮轨接触的O 点 其大小为Fi F i Mi Ri式中R 动轮半径 在正压力Pi的作用下 车轮与钢轨的接触部分紧紧压在一起 切向力F 使车轮上的O 点具有向左运动的趋势 并通过O 点作用在钢轨上 表示车轮作用在钢轨上的力 其值 i F 由于轮轨接触处存在着摩擦 车轮上O 点向左运动的趋势将引起向右的静摩擦力 i 即钢轨对车轮的反作用力 其值 称为轮周牵引力 因此 车轮上的O 点受到两个相反方向的力F 和 的作用 而且 i 所以 O 点保持相对静止 轮轨之间没有相对滑动 在力F 的作用下 车轮对做纯滚运动 由于正压力而保持车轮与钢轨接触相对静止的现象称为 黏着 黏着状态下的静摩擦力 称为黏着力 轮轨间的黏着与静力学中的静摩擦的物理性质十分相似 驱动转矩Mi产生的切向力F 增大时 黏着力 也随之增大 并保持与F 相等 当切向力F 增大到某个数值时 黏着力 达到最大值 此后 切向力F 如果在增大 反而迅速减小 实验证明 黏着力 的最大值 max与动轮对的正压力Pi成正比 其比例常数称为黏着系数 用 表示 即 max Pi 上式表明 在轴重一定的条件下 轮轴间的最大黏着力由轮轨间黏着系数的大小决定 当轮轨间出现最大黏着力时 若继续加大驱动转矩 一旦切向力F 大于最大黏着力 车轮上的O 点将向左移动 轮轨间出现相对滑动 粘着状态被破坏 这时 车轮与钢轨的相对运动由纯滚动变为既有滚动也有滑动 此时 钢轨对车轮的反作用力 由静摩擦力变为滑动摩擦力 其值迅速减小 并使车轮的转速上升 这种因驱动转矩过大 破坏黏着关系 使轮轨间出现相对滑动的现象 我们将其称为 空转 当车轮出现空转时 轮轨间只能依靠滑动摩擦力传递切向力 因而传递切向力的动能大大减小 并且会造成车轮踏面和轨面的擦伤 因此 牵引运行应尽量防止出现车轮的空转 黏着系数是由轮轨间的物理状态确定的 加大每个动轮对作用在钢轨上的正压力 即增加轴重 可以提高每个动轮对的黏着力和牵引力 但是 轴重也受到钢轨 路基和桥梁等各种条件的限制 不可能无限制地增加 城市轨道交通车辆由于采用动车组形成 动轮对数量比一般铁路列车多 动力和黏着力较分散 牵引力总量又很容易达到 与铁路列车的动轮对和牵引力都集中在机车头的情况相比 城市轨道交通车辆利用黏着条件就相对好得多 因而对保护轮轨间的正常作用是很有利的 2 蠕滑 传统理论认为 钢轮相对钢轨滚动时 接触面是一种干摩擦的黏着状态 除非制动力或牵引力大于黏着力时才会转入滑动摩擦状态 但是现代研究表明 由于车轮和钢轨都是弹性体 滚动时轮轨接触处会产生弹性变形 这种新的弹性变形会使接触面发生微量滑动 称之为 蠕滑 CREEP 对 蠕滑 的研究和分析 可以进一步深化我们对黏着的认识 在车轮上正压力的作用下 轮轨接触处产生弹性变化 形成椭圆形的接触面 从微观上仔细观察 两个接触面是粗糙不平的 由于切向力F 的作用 车轮在钢轨上滚动时 车轮和钢轨的粗糙接触面产生新的弹性变形 接触面间出现微量滑动 即所谓的 蠕滑 蠕滑的产生是由于在车轮接触面的前部产生压缩 后部产生拉伸 而在钢轨接触面的前部产生拉伸 后部产生压缩 随着动轮的滚动 车轮上原来被压缩的金属陆续放松 并被拉伸 而钢轨上原来被拉伸的金属陆续被压缩 因而在接触面的后部出现滑动 如图1 2所示 切向力在接触面上形成两个性质不同的状态和区域 接触面的前部 轮轨间没有相对滑动 称为滚动区 用阴影线表示 接触面的后部轮轨间有相对滑动 称为滑动区 这两个区域的大小随切向力的变化而变化 当切向力增大时 滑动区面积增大 滚动区面积减小 当切向力超过某一极限值时 滚动区面积为零 只剩下滑动区 整个接触面间出现相对滑动 轮轨间黏着被破坏 车轮在钢轨能够开始明显打滑 即出现 空转 图1 2切向力在接触面上形成的滚动区和滑动区 蠕滑是滚动体的正常滑动 车轮在滚动过程中必然会产生蠕滑现象 伴随着蠕滑产生静摩擦力 轮轨之间才能传递切向力 由于蠕滑的存在 牵引时车轮的滚动圆周速度将比其轮心前进速度要大 这两种速度之间的差值称为蠕滑速度 并以一个无量纲比值蠕滑率 来表示蠕滑的大小 即 R 式中 车轮轮心前进速度 车轮转动的角速度 轮轨间由于摩擦产生的切向力反过来作用于驱动机构 随着切向力的增大 驱动机构内的弹性应力也增大 当切向力达到极限时 由于蠕滑的积累波及整个接触面 发展成为真滑动 积累的能量使车轮本身加速 这时驱动机构内的弹性应力被解除 由于车轮的惯性和驱动机构的弹性 在轮轨间出现滑动 黏着 在滑动 在黏着的反复振荡过程 一直持续到重新在驱动机构中建立起稳定的弹性应力为止 3 制动力的形成 与牵引运行类似 制动力的形成也是通过轮轨间的黏着产生的 为了降低列车运行速度或者为了停车 我们必须用外力将列车动能移走 这个移走列车动能的过程称为制动 一般城市轨道交通车辆的制动方式有三类 即摩擦制动 包括闸瓦制动和盘形制动 动力制动 包括再生制动和电阻制动 和电磁制动 包括磁轨制动和涡流制动 其中摩擦制动和动力制动都是通过轮轨黏着产生制动力的 下面以闸瓦制动为例 说明通过轮轨黏着产生制动力的过程 图1 3是一个轮对利用闸瓦制动产生制动力的示意图 图1 3闸瓦制动时轮对与钢轨受力分析 假设一个轮对上有两块闸瓦 在忽略其他各种摩擦阻力的情况下 轮对在平 直道上滚动惰性 若每块闸瓦以力K压向车轮踏面 闸瓦和踏面间引起与车轮转动方向相反的滑动摩擦力2K k k为车轮踏面与闸瓦间的滑动摩擦系数 对于列车来说该摩擦力是内力 不能使列车减速 可是它通过轮轨间的黏着 引起与列车运动方向相反的外力 以此来实现列车的减速或停车 摩擦力2K k对车轮的作用效果 相当于制动转矩Mb 即Mb 2K kR 用类似牵引力形成的分析方法 转矩Mb可以用轴心和轮轨接触处的力偶 Bi Bi 代替 力偶的力臂为车轮R 作用力B Bi Mb R 2K k轮轨接触处因轮对的正压力Pi而存在黏着 切向力Bi将引起钢轨对车轮的静摩擦反作用力bi bi B 2K k bi作用在车轮踏面的O 作用方向与列车运行方向相反 是阻止列车运行的外力 称为制动力 制动力bi也是轮轨间的黏着力 因而也受到黏着条件的限制 即bi Pi i式中 P 动车或拖车轮对的轴重 制动时轮轨间的黏着系数 整个列车的总闸瓦制动力为所有轮对闸瓦制动力之和 即B bi 制动力的大小可以采用增加或减小闸瓦压力来调节 但不得大于黏着条件所允许的最大值 否则 车轮被闸瓦 抱死 车轮与钢轨间产生相对滑动 车轮的制动力变得滑动摩擦力 数值立即减小 这种现象称为 滑行 是与牵引时的 空转 相对应的一种黏着状态被破坏的现象 滑行时 制动力大大下降 制动距离增加 还会造成车轮踏面与轨面的擦伤 因此也必须尽量避免 动力制动产生制动力的过程与摩擦制动基本类似 只是制动转矩是由电机 这时电机处于发电状态 产生的 而不是由闸瓦产生的 但它们都是通过轮轨黏着产生的 因此 牵引力 摩擦制动力和动力 电气 制动力都是黏着力 它们与黏着关系密切 充分利用好黏着条件 不仅是牵引必须注意的 对于制动来说也同样重要 滑行 和 空转 都是必须避免的 唯一不受黏着条件限制的制动力是电磁制动力 电磁制动有两种形式 即磁轨制动和涡流制动 磁轨制动是将带有磨耗板的电磁铁落在钢轨上 接通励磁电流 使电磁铁紧紧吸附在钢轨上 并通过磨耗板与轨面摩擦产生制动力 涡流制动的电磁铁没有磨耗板 它将电磁铁落在轨面7 10 处 电磁铁与钢轨间的相对运动引起电涡流作用形成制动力 磁轨制动在欧洲的轻轨车辆或有轨电车上经常能看见 主要用于紧急制动 但磁轨制动应用最多的是高速列车 还有磁悬浮列车 由于黏着系数与牵引和制动有相当重要的关系 所以长期以来 影响黏着系数的主要因素就成为世界上众多科学专家研究的方向 对轨道黏着系数的研究主要依靠试验 不同的轨道粘着系数不同 需要经过大量试验和试验数据的计算分析才能得到 通过专家们的试验分析表明 影响黏着系数的主要因素有以下几项 1 车轮踏面与钢轨表面状态 干燥 清洁的车轮踏面与钢轨表面 它们的粘着系数高 如果踏面与轨道受到污染 则黏着系数有很大下降 干燥 清洁的轨面 其黏着系数可达0 3 而受到雨雪浸湿的轨面 其黏着系数仅为0 12 对城市轨道交通来说 地铁 轻轨和有轨电车的轨面由于所处环境的不同 其黏着系数有着巨大的差别 晴天里 地面的轨面要比潮湿隧道里的轨面粘着系数高 但雨雪天气里 隧道里的轨面黏着系数反比地面的要高 冰霜凝结在轨面上或毛毛雨打湿轨面 黏着系数非常低 但大雨冲刷 雨后生成的薄锈却使黏着系数大大增加 油的污染最会使轨面黏着系数下降 撒砂则能使轨面黏着系数增加 4 影响黏着系数的因素 2 线路质量钢轨越软或道床下沉越大 轨面的黏着系数越小 钢轨不平或直线地段两侧钢轨顶不在同一水平 以及动轮所处位置的轨面状态不同 都会使黏着系数减小 3 车辆运行速度和状态车辆运行速度增高加剧了动轮对钢轨的纵向滑动和横向滑动及车辆振动 使黏着系数减小 特别是在车轮和钢轨表面被水污染的情况下 黏着系数随速度增加而急剧下降 车辆运行中由各种因素导致轴重转移 也会影响黏着系数 例如 车辆过弯道时 造成车辆车轮一侧加载 另一侧减载 使黏着系数大幅度下降 如果曲径半径越小 黏着系数下降就越多 牵引和制动工况对黏着系数也有一定影响 牵引时的黏着系数要比制动时大一些 4 动车有关部件的状态牵引电机特性不完全相同 牵引力大的容易空转或打滑 导致黏着系数下降 各个动轮的轮径不同 轮径小的容易空转 但不容易打滑 各个动轮的动负载不同 动负载轻的容易空转和打滑 一旦发生空转或打滑 黏着系数就急剧下降 5 改善黏着的方法 改善黏着的方法主要有两大类 一大类是修正轮轨表面接触条件 改善轮轨表面不清洁状态 另一大类是设法改善轨道车辆的悬挂系统 以减轻轮对减载带来的不利影响 常用改善黏着的措施 从车辆上往钢轨上能够撒砂 用机械或化学方法清洗钢轨 打磨钢轨 改进闸瓦材料 如用增黏闸瓦 改善车辆悬挂 减小轴重转移等 相关理论知识 二 制动载荷 1 与制动有关的车辆载荷 1 垂直载荷作用在车体上的垂直静载荷Pst包括车体自重和车辆载重 车体自重包括车体钢 铝合金 结构 木 塑铝 结构 以及安装在车体上的其他部件和设备的重量 车辆载重包括乘客和行李的重量 地铁和轻轨车辆的载重按所载乘客的重量计算 载客人数按客室的坐席数 在考虑站立人数 额定站立人数按每平方米地板站立6人 超员可按每平方米地板面积站立9人 人均重量一般取60 2 垂直动载荷垂直动载荷Pd是由于轨面不平 钢轨接缝等原因以及车辆本身状态不良 例如车轮滚动圆偏心 呈椭圆形状和踏面擦伤等 引起轮轨间冲击和车辆簧上振动而产生的 3 纵向力纵向力是当列车启动 变速 制动和调车作业时 在动车之间或调车机车与列车之间所产生的牵引或压缩冲击力 纵向力通过牵引缓冲装置用于车底架的牵引梁上 使车体承受偏心的拉伸或压缩作用 纵向力的大小与动车的功率 列车重量 运行速度 制动系统性能 缓冲器的特性 车体的纵向刚度 调车时碰撞速度以及司机的操作技术等因素有关 4 侧向力作用在车体上的侧向力包括风力和曲线运行时的离心力 5 扭转载荷当车辆通过线路的缓和区段 前位转向架已进入缓和曲线 而后位转向架仍处于平直道时 车体将承受扭转变形 2 制动时的载荷分析列车和在运行中实施制动时 在车辆上有以下两种纵向力的作用 1 在只采用空气制动机的情况下 列车开始制动 由于列车前 后车辆不是同时发生制动作用 这样必然要引起车辆间的纵向冲击 其纵向力以集中的形式和大小相等 方向相反地作用在车体底架两端 这种纵向力对转向架受力没有影响 2 当全列车的所有车辆同时发生制动作用时 车辆间的纵向冲击消失 制动力却逐渐增大至最大值 由于车辆在制动力作用下做减速运动 就将引起车体和转向架质量的纵向惯性力 这种纵向惯性力对车体的作用远不及纵向力严重 故可以不计 但它对转向架有一定影响 在图1 4上 制动时钢轨给予车辆的最大制动力F kN 其方向与车辆运动方向相反 由下式决定 F Pst 式中Pst 车辆垂直静载荷 又称为车辆黏着重量 它等于车体和转向架的自重及车辆载重之和 轮轨间的黏着系数 重力加速度 在制动力F作用下 车辆的最大减速度为a F Pst 这时 车体的纵向惯性力Q将引起前 后 按制动前车辆运行方向 转向架的垂直增减载荷Pa以及作用在转向盘处的水平载荷Ta 如图2 4所示 根据车体受力平衡 可以得到 Pa Qh LTa Q 2其中Q aPst式中 重载车体的重心至心盘面的垂直距离 m L 车辆定距 m 图1 4制动时的载荷分析 三 空气制动机的空气波 制动波及列车制动时的纵向动力作用1 压力与压强 理论上 压力与压强是两个不同的物理量 压力是指物体间的相互作用力 其单位为牛顿 N 而压强则是指单位面积上所受力的大小 其单位为帕 Pa N m2 在空气管路系统中 人们习惯将 压强 称为 压力 但其含义不变 只是名称的更换 例如 制动管 压力 为500kPa 实际上指制动管 压强 为500kPa 2 绝对压力及表压力由物理学可知 大气对地球表面作用着一定压力 这一压力称为大气压 人们定义760mm高水银柱的压力为一个标准大气压 一般以1atm计量 换算成国际单位制为101 3333kPa 工程上为计算方便 一般取100kPa 绝对压力是指压力空气的实际压力 若气体未压缩而呈自由状态 其绝对压力即为大气压力 若处于绝对真空状态 则其绝对压力为零 表压力是指压力表指示的压力值 由于一般压力表只指示高于大气压力数值 真空压力表则例外 所以绝对压力与表压力的差值为大气压力值 可见 绝对压力等于表压力与大气压之和 3 空气波和空气波速 1 空气波制动管有两种功能 一是向列车制动系统充风 包括漏泄时的补风 二是通过充风或排风 引起制动管空气压力的增减 从而控制全列车制动机的动作 在铁路运输中 由于机车车辆是编组成列车运行的 制动管又细又长 空气又是个弹性的物质 所以 当司机在列车前端控制制动管充风或排风时 并不是全列车制动管立即同时 同步地增压或减压 以施行制动为例 首先是列车前端制动阀附近的制动管空气压力开始下降 使其原有的压力平衡遭到破坏 然后 这一压降沿着制动管以一定的速度逐渐向后传播 直到列车尾端制动管封闭处的压力也开始下降 当这一压降由前向后传播时 制动管前端的空气压力继续下降 新的压降也不断向后传播 这种空气的压力波动沿制动管长度方向由前向后传播所形成的波 称为空气波 它的传播如同投石于湖中引起的水面波纹不断向外扩散一样 也是一种机械波 不过 它是沿制动管传播的一种空气波 其性能与声波等其他空气波相似 在列车前端排风减压并且不断地向后传播的过程中 制动管内的压力空气不断地膨胀 它的压能不断地转化为动能 因此 它不断地由后向前连续流动 经由制动阀排气口排向大气 显然 气体的连续流动与压降的传播不是一回事 压降的传播 空气波 属于一种振动波 它按振动的规律在媒介质中进行传播 空气在管内的连续流动则不是一种波 而是媒介质的一种连续运动 故周围 如 管壁 阻力对它的影响很大 另外 在减压时气流方向与压降的传播方向是相反的 由于空气波在传播过程中能量有损失 所以空气波动强度实际上是逐渐减弱的 就如投石于湖中激起的水波在向外扩展中 逐渐减弱一样 因此制动管的减压速度也是越往后越低 2 空气波速通常 以物理量空气波速来衡量空气波传播的快慢 所谓空气波速是指空气波的传播速度 可用下列公式计算 一般地 空气波速为330m s左右 目前 要想大幅度提高空气波速 使列车前后部的制动管减压速度达到最大限度的一致性 采用电气控制的电空制动机是一个有效的途径 4 制动管减压速度空气波传到列车中任一分配阀后 该阀主活塞外侧 制动管一侧 即开始减压 但是 要使主活塞动作 还必须使主活塞两侧形成一定的压力差 而且压力差要累积到大于主活塞的移动阻力 主活塞才能移到制动位 才能沟通作为风源的副风缸压力空气进入制动缸的通路 从而实现制动作用 此压力差的建立取决于制动管的减压速度 减压速度大 压力差建立就快 反之就慢 如果减压速度过低 由于副风缸压力空气经充气通路逆流入制动管 主活塞两侧的压力差就建立不起来 阀就不能产生动作 在列车中各车辆的分配阀处的减压速度 受到距排风口的远近 制动管长度 车辆制动支管的长度及主活塞外侧容积 制动阀排气方式和制动管定压等许多因素影响 5 制动波和制动波速 1 制动波如前所述 当司机施行制动时 由于空气波的存在 列车中各制动机的制动作用并不是全列车立即同时 同步地发生 而是有一个陆续发生的过程 在理想情况下 制动作用沿列车长度方向由前向后逐次发生 这种制动作用沿列车长度方向由前向后逐次传播现象 人们把它叫作 制动波 实际上 由于各制动机的结构 性能和状态的影响 制动作用有时就不是完全由前向后逐次发生 而是存在某种 跳越 现象 即 列车中某车辆或某几辆车的制动作用可能比其后的车辆发生得还要晚 这说明 制动波并不是一种波 只是习惯上那么叫罢了 2 制动波速衡量制动波传播速度的物理量 称为制动波速 一般以 m s 为计量单位 制动波速wzb通过试验由下式求得 由于制动波的传播速度受到空气波传播快慢 三通阀 分配阀 动作灵敏性及制动机性能好坏等因素的限制 所以 制动波速总比空气波速要小 制动波速是综合评定制动机性能的重要指标 制动波速越高 表明列车前 后部制动作用的同时性越好 有利于减轻制动时的纵向动力作用和缩短制动距离 同时制动波速越高 则制动作用的传播长度可更大些 即能适应长大列车的要求 6 缓解波和缓解波速与制动波和制动波速相似 当司机操纵制动机进行缓解时 缓解作用沿制动管长度方向由前向后逐次传播的现象 称为缓解波 其传播的速度称为缓解波速 同样 缓解波速也受到空气波传播快慢 三通阀 分配阀 动作灵敏性及制动机性能好坏等因素的影响 所以 如何提高缓解波速也成为亟待解决的问题之一 7 制动机的稳定性 安定性与灵敏度 1 稳定性当制动管减压速率低于某一数值范围时 制动机将不发生制动作用的性能 称为制动机的稳定性 也就是说 要使制动机可靠地产生制动作用 除了要有一定的制动管减压量外 还需要一定的减压速率 两者缺一不可 其数值范围因各型制动机而不同 我国规定 制动管减压速率或漏泄小于20kPa min 2 安定性常用制动时不发生紧急制动作用的性能 称为制动机的安定性 即当制动管减压速率在10 40kPa s范围时 紧急阀不应动作 3 灵敏度当制动管减压速率达到一定数值范围时 制动机必须产生制动作用的性能 称为制动机的灵敏度 一般地 常用制动灵敏度为10 40kPa s 紧急制动灵敏度为70kPa s 上述三者之间相互联系 在同一制动机上必须协调一致 保证三者之间有明显的隔离区间 否则将使制动机无法正常工作 8 列车制动时的纵向动力作用对于空气制动机 在施行制动或缓解时所产生的空气波存在一个沿制动管长度方向由前向后扩散或传播的过程 列车越长 其前后部开始制动或缓解的时间差就越大 这种 沿列车长度的制动或缓解作用的不同时性 是列车制动或缓解时发生强烈纵向动力作用的主要原因 对于重载 或扩编 列车 这个问题尤其突出 1 制动阶段的划分及其性质根据列车制动过程中各制动缸压力的变化及分布情况 整个制动过程可划分为四个阶段 第一制动阶段 由司机扳动制动阀手柄至制动位时开始 到最后一辆车制动缸压力开始上升的瞬间为止 在这个阶段 由列车前部第一辆开始 各车辆制动机逐次发生制动作用 并且 制动缸压力及相应的制动力沿列车长度方向由前向后越来越小 因此 前部车辆减速度大 而后部车辆减速度小 形成各车辆间的动能之差 导致了列车各车辆从两端向列车中部挤压的相对运动 并将动能差转换为车钩缓冲器弹簧的势能 即造成列车各车钩缓冲器弹簧的压缩 该压缩为静压缩 由于列车的这种压缩具有一定的作用速度 所以表现为列车的纵向动力作用 当第一制动阶段终了时 列车压缩力达到最大值 车钩缓冲器弹簧到达新的静平衡位置 静压缩也达到最大值 第二制动阶段 由最后一辆车制动缸压力开始上升起 到第一辆车制动缸压力上升到最大值为止 在这个阶段 各车辆的制动缸压力保持着第一阶段末已形成的压力差而按相同的速率上升 车钩缓冲器弹簧继续被压缩 形成动压缩 当第二制动阶段所形成的动能差全部转换为势能时 动压缩达到最大值 然后车钩缓冲器弹簧开始伸张 造成列车的纵向动力振动 由于车钩缓冲器的摩擦阻尼作用 这个动力振动将很快衰减而消失 但静压缩则仍保持不变 第三制动阶段 由第一辆车制动缸压力上升到最大值的瞬间起 到最后一辆车的制动缸压力上升到最大值为止 在这个阶段 各车辆的制动缸压力逐渐趋于一致 第一制动阶段所贮存在车钩缓冲器弹簧中的静压缩势能逐渐释放出来 列车中各车辆在车钩缓冲器弹簧的反拨力作用下发生由列车中部向两端伸张的现象 这种伸张也具有一定的作用速度 比压缩的速度小 能量有损失 所以也会引起列车纵向动力作用 这个冲动由于车钩缓冲器的摩擦阻尼作用也很快衰减和消失 第四制动阶段 由最后一辆车的制动缸压力上升到最大值时起 到列车完全停车或缓解为止 在这个阶段 各个车辆的制动机都产生了最大制动力 如果列车单位制动力分配均匀 则车辆之间形成任何因制动而产生的作用力 但如单位制动力分配不均匀 则仍将有压缩力或拉伸力存在 即可造成列车的纵向动力作用 这是静力性质的 当制动力达到最大值时 这种作用力也达到最大值 实际工作中 在列车制动过程中的每一瞬间 各个机车车辆具有不同的单位制动力 如果列车施行制动时是处在拉伸状态 则制动之初首先要消除这些车钩与车钩之间的自由间隙 这就必然会产生强烈的纵向动力作用 或发生强烈的纵向动力作用 2 产生动力作用的原因列车制动时产生纵向动力作用的主要原因有三个 1 制动作用沿列车长度方向的不同时性 即列车前部制动力形成得早 上升得快 后部则晚而慢 2 全列车制动缸的压力都达到指定值以后 单位制动力 列车每吨重量的制动力 沿列车长度方向的不均匀分布 这是由于列车中车辆类型和装载状态不同而造成的 由于上述两种原因 列车中各车辆在制动过程中的每一瞬间都具有不同的单位制动力 如果没有车钩的连接 各车辆都将按各自的减速度运行 但这是不可能的 组成列车的机车和车辆必须按同一减速度运行 具有相同的单位惯性力 列车每吨重量的惯性力 因此 在各车辆间的车钩连接处 必然要产生相应的纵向动力作用 3 各车辆之间的非刚性连接 缓冲器可压缩 车钩与车钩之间有自由间隙 使由于前两种原因产生的纵向动力作用更加剧烈 为了缓和因制动不同时性和单位制动力分布不均所造成的强烈纵向动力作用 每个车钩后面都装有可压缩的缓冲器 制动时可通过前从板压缩缓冲器弹簧 吸取和衰减纵向动力作用的能量 将它限制在允许的范围内 但这样一来 列车纵向的可压缩量也增大了 由于列车的这种压缩不是缓慢进行的 它具有一定作用速度 所以弹簧被压缩到静平衡位置时列车的压缩并未停止 当弹簧继续被压缩并达到动平衡位置时 列车压缩的相对运动的能量被用尽 弹簧和列车的压缩量才达到最大值 车钩受到的纵向力也才达到最大值 列车制动纵向动力作用 随列车长度的增加和制动力的增大而加剧 严重时它能导致车钩缓冲器装置折损和车体严重损坏等重大事故 所以 对于这个问题的试验和研究是一项很重要的工作 前苏联科学家的研究表明 提高制动波速和延长制动缸充风时间都可以减轻列车制动时的纵向动力作用 但提高制动波速还可以缩短制动距离 而延长制动缸充风时间却会导致制动距离延长 要想在不延长制动距离的条件下减轻制动时的纵向动力作用 只有首先大力提高制动波速 同时适当科学地延长制动缸充风时间 如采用 先快后慢 地变速充风 发展大吨位车辆比增加编组辆数对减轻制动冲动较为有利 由于闸瓦摩擦系数随列车速度的降低而增大 故在闸瓦压力相同的条件下 低速时制动冲击力更大 列车在拉伸状态下制动 其纵向冲击力比在压缩状态下大很多 实践与训练 学习工作单 课题2 制动方式的分类和制动机的分类 1 熟知制动方式按列车动能转移方式的分类方法 知识要点 2 熟知制动方式按照制动力形成方式的分类方法 3 熟知制动方式按照制动源动力的分类方法 4 熟知制动机按其用途的分类方法 5 熟知制动机按照操纵方法和动力来源的分类方法 课题任务 分析摩擦制动的闸瓦制动 盘形制动和轨道电磁制动 磁轨制动 的异同点 2 分析电阻制动 再生制动 空气制动的异同点和投入时机 3 分析黏着制动和非黏着制动的异同点 4 分析制动机按其用途的分类方法 5 分析比较手制动机 真空制动机 空气制动机和电空制动机的区别 相关理论知识 一 制动方式的分类 二 制动机的分类 一 按列车动能转移方式分类列车的动能的转移方式可以分为两类 一是摩擦制动方式 即动能通过摩擦副的摩擦转变为热能 然后消散于大气 二是动力制动方式 即把动能通过发电机转化为电能 然后将电能从车上转移出去 1 摩擦制动摩擦制动是指电动车组的动能通过摩擦转变为热能 城市轨道交通车辆常用的摩擦制动方式主要有闸瓦制动和盘形制动 在高速列车的制动系统中还有轨道电磁制动等方式 一 制动方式的分类 制动方式可按制动时列车动能转移方式 制动力获取方式或制动源动力的不同进行分类 1 闸瓦制动闸瓦制动又称踏面制动 是最常用的一种制动方式 在制动时 闸瓦制动装置根据制动指令使制动缸内产生相应的制动缸压力 该压力通过制动缸使制动缸活塞杆产生推力 经基础制动装置中的一系列杆件的传递 分配 使每块闸瓦都贴靠在轮踏面上 并产生闸瓦压力 车轮与闸瓦之间相对滑动 产生摩擦力 最后转化为轮轨之间的制动力 缓解时 制动控制装置将制动缸压力空气排除 制动缸活塞在制动缸缓解弹簧的作用下退回 通过各杆件带动闸瓦离开车轮踏面 如图1 5所示 图1 5闸瓦制动示意图1 制动缸 2 基础制动装置 3 闸瓦 4 车轮 5 钢轨 在闸瓦与车轮这一对摩擦副中 车轮由于主要承担着车辆走行功能 因此其材料不能随意改变 要改善闸瓦制动的性能 只能通过改变闸瓦材料的方法 早期的闸瓦材料主要是铸铁 为了改善摩擦性能和增加耐磨性 目前城市轨道交通车辆中大多采用合成闸瓦 但合成闸瓦的导热性差 因此目前也有采用导热性能良好 且具有较好的摩擦性能和耐磨性的粉末冶金闸瓦 在闸瓦制动方式中 动能转化为热能的能力大但热能散于大气的能力相对较小 当要求的制动功率较大时 有可能发生热能来不及散于大气 而在闸瓦与车轮踏面积聚 使它们的温度升高 严重的甚至会导致闸瓦熔化 铸铁闸瓦 或车轮踏面产生裂纹等 因此 在采用闸瓦制动时 对制动功率要有限制 2 盘形制动盘形制动可分为轴盘式和轮盘式 如图1 6所示 非动力转向架一般采用轴盘式 动力转向架也是优先采用轴盘式 但如果动力转向架轮对之间由于牵引电动机等设备使制动盘的安装发生困难时 可采用轮盘式 制动时 制动缸通过制动夹钳使阀片夹紧制动盘 使阀片与制动盘间产生摩擦 把列车的动能转变为热能 热能通过制动盘与阀片逸散于大气 盘形制动采用的高性能摩擦副材料和良好的散热结构 可以获得比闸瓦制动大得多的制动功率 图1 6盘形制动a 轴盘式 b 轮盘式 盘形制动装置的结果由单元制动缸 夹钳装置 闸片和制动盘组成 如图1 7所示 其中 单元制动缸中包含闸调器 夹钳装置由吊杆 闸瓦托 杠杆和支点拉板组成 夹钳的悬挂方式为制动缸浮动三点悬挂 即两闸瓦托的吊杆为两悬挂点 另一悬挂点是支点拉板 盘形基础制动装置在制动时 制动缸活塞杆推出 制动缸缸体和活塞带动两根杠杆 通过杠杆和支点拉板组成的夹钳使装在闸瓦托上的闸瓦同时夹紧制动盘的两个摩擦面 产生制动作用 图1 7盘形制动结构1 轮对 2 单元制动缸 3 吊杆 4 制动夹钳 5 闸瓦托 6 7 杠杆 8 支点拉板 3 轨道电磁制动 又称为磁轨制动 如图1 8所示 在转向架结构侧梁下通过升降风缸安装有电磁铁 电磁铁下设有磨耗板 制动时将电磁铁放下 使磨耗板与钢轨吸住 电动车组的动能通过磨耗板与钢轨摩擦转化为动能 然后经钢轨和磨耗板最终散于大气 轨道电磁制动能得到较大的制动力 因此常被高速列车用作紧急制动时的一种补充制动手段 图1 8轨道电磁制动1 电磁铁 2 升降风缸 3 钢轨 4 转向架结构侧梁 5 磨耗板 2 动力制动动力制动在制动时 将牵引电机变为发电机 使列车动能转化为电能 对这些电能的不同处理方式形成了不同方式的动力制动 城市轨道交通车辆上采用的动力制动形式主要有电阻制动和再生制动 1 电阻制动将发电机发出的电能加于电阻器中 使电阻器发热 即电能转变为热能 电阻器上的热能靠风扇强迫通风而散于大气中 电阻制动一般能提供较稳定的制动力 但车辆底架下需要安装体积较大的电阻箱 2 再生制动在以上的各种制动方式中 电动车组具有的动能最终都转化为热能而消散于大气中 而再生制动是把电动车组的动能通过电机转化后为电能后 再使电能反馈回电网提供给别的列车使用 再电制动初期 动车的电动机转变为发电机 将列车制动产生的电能经过转换 变成直流电输送回第三轨 或接触网 和供给本列车的辅助系统 这时发生的是再生制动 显然 这种方式既能节约能源 又减少制动时对环境的污染 并且基本上无磨耗 因此 这是一种较为理想的制动方式 如果列车所在的供电区段上没有其他列车处于牵引状态 而辅助系统的用电量不能完全消耗再生的电能 电荷就会在电容上聚集 当电荷聚集到一定程度时 制动斩波器开始工作 它将多余的电能送到制动电阻上消耗掉 这个过程称为电阻制动 随着列车速度的下降 其电制动力也将不断的减弱 当列车速度降低至一定的速度时 电制动已不能满足制动所需要的要求 这时电制动力将逐渐被切除 所有的制动力则由空气制动来承担 同时列车还进入了一个停车制动的程序 电 空制动与列车速度 需求制动力关系如图1 9所示 图1 9电 空制动与列车速度 需求制动力关系图 3 电磁涡流制动电磁涡流制动是利用电磁涡流在磁场下产生洛伦兹力 而洛伦兹力方向与物体运动方向相反的物理原理创造的一种电车电磁制动方式 电磁涡流制动具有无摩擦 无噪声 体积小 制动力大的优点 目前 车辆利用电磁涡流制动的方式主要有盘形涡流制动和轨道直线涡流制动 二 按制动力形成方式分类根据列车制动力的获取方式 制动方式可分为粘着制动与非粘着制动 1 粘着制动制动时 车轮与钢轨之间有三种可能的状态 1 纯滚动状态 车轮与钢轨的接触点无相对滑动 车轮在钢轨上作纯滚动 这时车轮与钢轨之间为静摩擦 车轮与钢轨之间可能实现的最大制动力是轮轨之间的最大静摩擦力 这是一种难以实现的理想状态 2 滑行状态 车轮在钢轨上滑行 这时车轮与钢轨之间的制动力为二者的动摩擦力 这是一种必须避免的事故状态 由于动摩擦系数远小于静摩擦系数 因此一旦发生这种工况 制动力将大大减小 制动距离会延长 同时车轮在钢轨上的长距离滑行 将导致车轮踏面的擦伤 危及行车安全 3 粘着状态 由于车辆重力的作用 车辆与钢轨的接触处为一椭圆形的小面积 列车运行时 因曲线 钢轨接缝及道岔等原因 使制动时车轮在钢轨上处于连滚带滑 基本上是滚动 的状态 这种状态称为粘着状态 粘着状态下车轮与钢轨间的最大水平作用力称为粘着力 粘着力与轮轨间垂直载荷的比值 称为粘着系数 依靠粘着滚动的车轮与钢轨粘着点之间的粘着力来实现车辆的制动称为粘着制动 粘着制动时 为了能得到较大的制动力 需要具有较高的粘着系数 然而粘着系数受列车运行速度 气候条件 轨轮表面状态以及是否采取增粘措施等诸多因素的影响 是一个有很大离散性的参数 所以目前尚未有粘着系数的理论公式 各国都分别采用大量的实验来得到经验公式 比如日本东海道新干线的粘着系数公式为 式中V 列车运行速度 km h 我国铁道科学研究院在对国内铁道干线进行了大量的试验研究后 提出了我国干线列车 速度120km h以下 的粘着系数公式 2 非粘着制动 粘着外制动 制动时 制动力大小不受粘着力限制的制动方式称为非粘着制动 即非粘着制动的制动力不从轮轨之间获取 因而它可以得到较大的制动力 显然 在上面曾经介绍的制动方式中 闸瓦制动 踏面制动 电阻制动和再生制动均属于粘着制动 而磁轨制动和电磁涡流制动则属于非粘着制动 三 按制动源动力分类在目前列车所采用的制动方式中 制动的源动力主要有压缩空气和电 以压缩空气为源动力的制动方式称为空气制动方式 如闸瓦制动 盘形制动等都为空气制动方式 以电为源动力的制动方式称为电气制动方式 动力制动及轨道电磁制动等均为电气制动方式 二 制动机分类制动机按其用途可分为机车制动机 客车制动机 货车制动机 城市轨道 交通 车辆制动机和高速列车制动机 按制动机的操纵方法和动力来源可分为手制动机 空气制动机 真空制动机和电空制动机等 1 手制动机用人力转动手轮或有杠杆拨动的方法 使闸瓦压紧车轮踏面或使闸片压紧制动盘 从而达到制动目的的装置 叫手制动机 现在我国机车车辆上都装有手制动机 他只是在空气制动机发生故障以及在调车作业或在就地停放时使用 2 真空制动机真空制动机用大气压作为动力来源 用对空气抽空程度 真空度 的变化来操纵制动机的制动和缓解作用 这种制动机的制动执行部件的最高压力只能达到一个大气压 所以制动力受到限制 性能没有空气制动机好 我国除一部分出口机车车辆安装这种制动机外 国内均不采用 3 空气制动机用压力空气作为制动的动力来源 并用压力空气的压力变化来操纵制动机的制动和缓解作用的 称为空气制动机 空气制动机是目前各国采用最为广泛的制动机 我国机车车辆上都装有空气制动机 4 电空制动机电空制动机仍用压力空气作为制动的动力来源 但它用电来操纵制动装置的制动 保压和缓解等作用 最简单的电空制动机是在空气制动机的基础上加装电磁阀等电气控制部件 用电来操纵制动机的作用 与空气制动机相比 其最大优点是全列车能迅速发生制动或缓解作用 列车前 后的动作一致性比较好 实践与训练 课题3 城市轨道交通车辆制动系统的发展概况 3 熟知现代城市轨道交通车辆制动系统的主要功能和组成部分 知识要点 2 熟知现代的制动系统 1 熟知早期的制动方式 课题任务 1 简要分析人工机械制动的作用原理 2 分析空气制动机和电空制动机的优缺点 3 分析对城市轨道交通车辆的制动系统的要求和城市轨道交通车辆的制动系统的组成及其作用 相关理论知识 一 早期的制动方式自1881年德国柏林有了世界上第一辆有轨电车后 世界各大城市相继开始了大规模的城市轨道交通的建设 对于城市轨道交通车辆来说 除了要承载更多的乘客外 还有一项重要任务 那就是要使运动中的车辆能够安全地减速和停车 也就是必须要对车辆施行制动 最早的有轨电车是以人工制动的 司机绞动刹车钢丝 使木制的闸瓦靠紧车轮踏面 用摩擦力使车轮或车轴的转动减慢直至停止 以达到车辆减速和停车的目的 当然 这种原始的制动方法既费力又不安全 时常会发生钢丝断裂和车辆失控事故 人们逐渐认识到 为了能让车辆以一定速度安全运行 必须使其具有同样的减速和停车能力 必须重视对车辆制动的改进 忽视车辆制动将会发生危险 甚至造成旅客生命和财产的损失 因此 对制动机的研制成为近代铁路和城市轨道交通的一个大热门 有时甚至比电气牵引上的发明更为引人注目 1863年 伦敦在市中心环路下面修建隧道 拟让火车在市中心的地下通行 但是火车的烟雾在隧道中弥漫 尽管有通风井 但排放烟雾问题仍然难以解决 直到1890年 伦敦才建成电力牵引的地下铁路 这就是真正意义上的一条地铁 地铁在20世纪初的欧美地区的城市得到迅速发展 由于地铁车辆是沿用铁路车辆的 因此任何火车制动新技术都会立即被应用于地铁列车 当时火车一般使用人工机械制动 例如杠杆拨动式闸瓦制动装置 手轮式棘盘链条制动机等 这种人工机械制动机 有的甚至现在还在被铁路车辆使用 当然它只是在空气制动机发生故障 调车作业或就地停放时使用 二 现代的制动系统随着20世纪初科学技术的发展 铁路车辆上出现了空气制动机 所谓空气制动机 就是用压力空气作为制动的动力来源 并用压力空气的压力变化来实现列车的制动和缓解作用的制动装置 这种空气制动机被广泛应用于铁路 地铁 城市高架铁路以及其他轨道交通车辆 至今 空气制动机还在我国和世界各国铁路机车和货车上使用 虽然空气制动机与人工机械制动相比 安全性和可靠性都有了很大的进步 但由于司机发出的制动指令是靠列车管内的压力变化来传递的 它的指令传递速度受空气波速的限制 也就是说其极限速度在330m s左右 因此 对一列几百米长的列车来说 仍有可能造成前后车辆制动和缓解动作在时间上的不一致 在多数情况下 由此造成的列车纵向冲动和对车钩的损伤已达到非常严重的程度 20世纪30年代 在欧美地区和日本出现了采用电信号来传递制动和缓解指令的制动控制系统 这是制动系统的一次变革 因为电信号的传输速度比空气波速快得多 采用电信号的制动控制系统被称为电气指令式制动控制系统 当时人们将制动的动力来源仍采用压力空气 但控制方式采用了电气指令式制动控制系统的列车制动机称为电磁空气制动机 简称电空制动机 电磁空气制动机在每节车辆都设有制动 缓解电磁阀 通过司机制动控制器进行励磁和消磁 从而控制列车制动或缓解 相对于空气制动机来说 电气指令式制动控制的主要优点是 全列车制动和缓解的一致性好 因此 制动和缓解时的纵向冲动小 制动距离短 车钩受力小 乘客乘坐舒适性好 20世纪50年代 国外城市轨道交通车辆在大规模采用电空制动机的同时 还采用电气指令制动控制系统协调动力制动和空气制动 使制动控制技术达到了一个新的水平 最近几十年 由于电力电子变流技术和微机技术的加入 使电气指令式制动控制系统不断改进 发展 大功率电力电子元件的出现使电气再生制动成为可能 微机技术的应用使制动防滑系统更加精确完善 城市轨道车辆制动技术正朝着安全 可靠 人性化和环保的目标不断前进 三 现代城市轨道交通车辆制动系统的主要功能和组成部分1 对城市轨道交通车辆的制动系统的要求城市轨道交通越来越为广大市民所接受 现已成为大都市居民出行的首选方式 城市轨道交通的特点是安全 快捷 准时 方便 但是它的站距相对于城市之间运营的一般火车来说就显得较短 只有1km左右 它的行车速度快 乘客上下数量波动大 发车频率高 因此 对车辆启动 加速和制动都有很高的要求 特别是对制动 出于安全的考虑 必须做到万无一失 综合起来 对城市轨道交通的制动系统应满足以下要求 1 制动系统应具有足够的制动能力 能保证车辆在规定的制动距离内停车 制动系统应操作灵活 反应迅速 停车平稳 2 制动系统应包括动力制动 电气制动 和空气制动 机械制动 两种制动方式 并且在正常制动过程中 尽量首先使用动力制动 以减少空气制动对城市的环境污染并降低车辆维修成本 3 制动系统应具有可靠的安全保障系数 即使个别车辆发生故障或在较长距离和较大坡度的坡道上运行 也应有足够的制动力保证列车可靠制动和停车 4 车辆应具有载荷校正能力 能根据乘客载荷的变化自动调节制动力 使车辆制动力保持恒定 限制冲动力 保证乘客乘坐的舒适性 5 制动系统必须具有紧急制动功能 紧急制动装置除由司机操作外 还可由其他行车人员操作 2 现代城市轨道交通车辆的制动系统的组成根据以上特点和要求 现代城市轨道交通车辆的制动系统一般包括以下几个组成部分 1 动力制动系统 它一般与牵引系统连在一起形成主电路 包括再生反馈电路和制动电阻器 将动力制动产生的电能反馈给供电接触网或消耗在制动电阻器上 2 空气制动系统它由供气部分 控制部分和执行部分 基础制动装置 等组成 供气部分有空气压缩机组 空气干燥机和风缸等 控制部分有电 空 EP 转换阀 紧急阀 称重阀和中继阀等 执行部分就是闸瓦制动装置和盘形制动装置等 3 指令和通信网络系统它既是传送司机指令的通道 同时也是制动系统内部数据交换及制动系统与列车控制系统进行数据通信的总线 实践与训练 学习工作单 课题4 空气制动系统和电气指令式制动控制系统基本作用原理 知识要点 2 熟知空气制动机按其作用原理不同的分类方法 熟知各种空气制动机的特点和作用原理 3 熟知电气指令式制动控制系统的作用原理 1 熟知空气制动系统的组成和控制方式 课题任务 1 分析空气制动系统的组成及各部分的作用 2 分析各种空气制动机的特点和作用原理 3 分析电气指令式制动控制系统中的电气指令式制动控制系统和模拟指令式制动控制系统的作用原理的异同点 相关理论知识 制动控制系统是制动系统在司机或其他控制装置 如ATC 的控制下 产生 传递制动信号 并对各种制动方式进行制动力分配 协调的部分 目前 制动控制系统主要有空气制动系统和电控制系统两大类 当以压力空气作为空气制动信号传递和控制制动力介质时 该制动系统称为空气制动系统 又称空气制动机 以电气信号来传递制动信号的制动控制系统 称为电气指令式制动控制系统 地铁车辆普遍采用电气指令式制动控制系统 而电气指令式制动控制系统分为两种类型 数字指令式制动控制系统和模拟指令式制动控制系统 一 空气制动系统 空气制动 又称为机械制动或摩擦制动 城市轨道交通车辆常用的空气制动方式有闸瓦制动和盘形制动 空气制动主要以压缩空气为动力 压缩空气由车辆的供气系统供给 一 空气制动系统的组成城市轨道交通车辆的空气制动系统由供气系统 基础制动